キーサイト、第4世代1/f雑音測定システムを発売 - 0.03Hzの超低周波に対応

キーサイト・テクノロジーは2月6日、1/f雑音測定システムの第4世代品「E4727A 1/fノイズ・RTN測定システム」を発売した。1/f雑音やランダムテレグラフ雑音(RTN:Random Telegraph Noise)などの、低い周波数で支配的になる雑音の大きさを測定するシステムである。

1/f雑音は、周波数(f)にほぼ反比例してエネルギー密度が増加する雑音を指す。電子機器や電子回路ユニット、半導体集積回路、半導体素子、抵抗器などはすべて、1/f雑音を発生する。そもそもは真空管の電流雑音として1/f雑音は見つかった。このため1/f雑音の歴史は非常に長い。最近では低雑音MOS FETやCMOSイメージセンサ、低雑音アンプ、パワーデバイスなどで問題となっている。

ランダムテレグラフ雑音(RTN)は主にMOS FETのチャンネル領域で発生する。半導体製造技術の微細化によって近年、注目を集めるようになった。電流が2つの値を行き来する、あるいはしきい電圧が2つの値を行き来するという、離散的な変動を伴う雑音である。

キーサイトは15年以上も前から、1/f雑音やRTNなどの低周波雑音を測定するシステムを開発、市販してきた。100Hz以下の低い周波数領域で雑音のような微小な信号を測定することは、容易ではない。測定システムの構成は複雑で大掛かりになりがちである。従来品である第3世代の「E4725A」では、1.6mもの高さがあるラックマウントシステムや測定治具などで低周波雑音の測定システムを構成していた。

第4世代品の「E4727A」では測定システムを大幅に小型化するとともに、測定性能を格段に向上させた。測定システムは作業机の上に構築できる。そして測定周波数範囲とバイアス電圧範囲を大きく拡大した。

測定の下限となる周波数は0.03Hzである。従来品の下限は1Hzだった。最近ではデジタルカメラの手ブレ補正用センサーで1Hz未満の周波数領域を測定する需要があることなどに応えた。

バイアス電圧は最大で200Vである。従来品は最大50Vだった。最近では自動車のエレクトロニクス化などで高耐圧パワーデバイスを測定する需要が高まっていることに応えた。

そして測定限界を大きく左右する、測定システム自体の雑音を大きく下げた。雑音フロアは-183dBV²/Hzである。従来品の雑音フロアは-177dBV²/Hzだった。新製品(E4727A)のコーナー周波数は20Hzである。従来品のコーナー周波数は10kHzだった。雑音フロアとコーナー周波数が下がったことで、従来は測定が難しかった、抵抗器の低周波雑音特性を測定できるようになったという。

さらに、これがたぶん最も重要なのだが、新製品では測定時間を大幅に短縮した。新製品の測定時間は、下限が1Hzのときに約40秒である。従来品の測定時間は、下限が1Hzのときに約2分(約120秒)。およそ3分の1に短くなった。例えば、シリコンウェハに作り込まれた数多くのダイの低周波雑音特性を測定する場合、検査コストを大きく削減することを期待できる。

測定システムの構成では、入力端子用モジュール、出力端子用モジュール、基板バイアス用モジュールを新たに開発し、被測定デバイスの近傍に配置できるようにした。各モジュールと半導体デバイス・アナライザの間はケルビン三重同軸(トライアキシャル)ケーブルで接続してあるので、環境雑音の影響を受けない。さらにはモジュールを被測定デバイスの近傍に置くことで、被測定デバイスとモジュールを接続するケーブルを短くし、環境雑音の影響を抑えた。

またモジュール本体は三重の電磁シールドが施されており、環境雑音の影響を受けない。そして各モジュールの底部には磁石が組み込まれており、レバーの操作によって磁石の効果をオン/オフできる。作業机の表面が鉄製の場合には磁石を効かせることで、モジュールの機械的振動やガタつきなどを抑えられる。

「E4727A」の価格(税抜き)は約2,500万円から。納期は約3週間からである。